对探究实验中系统误差消除方案探讨

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1、对“探究”实验中系统误差消除的方案探讨孟宪松（江苏省泗阳中学高中部，江苏泗阳223700）1误差来源在“探究加速度、力和质量的关系”的实验中，小车放在水平木板上，平衡摩擦力以后，在探究关系时，小车受到的合外力不便直接测量．在现行中学教材中，采用的方法是将砂桶（砂子和桶）的重力近似代替小车的合外力，这就使得实验原理不完善，产生系统误差．2误差分析如图1所示，小车质量M，砂桶的重力，绳上张力，平衡摩擦力以后，对小车和砂桶，由牛顿第二定律可知：，，解得，（1），（2）若满足条件“砂桶的质量远小于小车的质量”，即m<

2、）因为，所以（4）式简化为，将（3）代入上式即：（5）．由上述可知，若满足m<

3、算出，在探究关系的实验中，保持小车的质量不变，计算出在砂桶重力不同情况下，小车受到的拉力值，并根据纸带计算对应加速度值，记录数据填入表1．3表1次数小车质量M/kg砂桶重力mg/N小车受到的拉力F/N小车运动加速度a/m/s21234根据表1数据，由于是小车受到拉力的精确值，因而实验中不必满足m<

4、所示，通过弹簧测力计读数来记录小车的拉力，然而在弹簧测力计运动的情况下，要想准确读出其读数会有很大困难．如果弹簧测力计能够在静止的情况下来测量小车受到的拉力，那将会使实验更精确．如图3所示，巧妙地利用动滑轮两边绳上张力相等，即弹簧测力计的读数等于小车受到的拉力．通过多次改变砝码的个数，从而得到拉力不同情况下的打点纸带，并根据纸带计算出加速度值，填入表2．由表2数据可以画出较为准确的关系图像，图像是一条过原点的直线．可以看出，在一定的情况下，与成正比．同理可以探究，在一定的情况下，与成反比关系．表2次数小车质量M/kg弹簧测力计读数F/N小车运动加速度a/m/s21234方案三转换

5、研究对象消除误差．在实验中，原来以小车为研究对象，改变为以砂桶和小车整体作为研究对象，整体所受的合力与砂桶的重力相等，即，整体的质量为，那么在探究加速度与合外力的关系的实验中，就一定要保持整体质量不变．如何才能满足在改变砂桶的重力的情况下，而砂桶和小车整体质量不变呢？如图4所示，我们可以通过从砂桶中取一些砂子装入小车中或从小车中取一些砂子装入砂桶中来实现．多次改变砂桶的重力，处理纸带，每次都会得到一个相应的加速度，填入表3，根据表3数据，以合外力（砂桶重力）为横轴，加速度为纵轴，即得到关系图像．表3次数小车和砂桶总质量(M+m)/kg砂桶重力mg/N小车运动加速度a/m/s212

6、334通过以上做法可以巧妙地消除由于代替而产生的系统误差，由于上述（2）式，整体质量不变，整体所受的合力就是，不存在近似或代替，因此，以整体为研究对象可以准确的得到：在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比．同理，在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比．方案点评对于上面三种方案都能够达到消除系统误差的目的．前两种方案均从如何能够准确地得到小车的拉力着手．方案一通过精确计算求出拉力值，思路清晰、明了，但计算的过程稍复杂；方案二通过对实验装置的稍作改进，能准确的测量小车受到的拉力，但动滑轮有摩擦会使实验结果产生一定的误差；方案三通过巧妙的改变研究对象，在不改变实验装置的情况下，实现

7、系统误差的消除，此方案操作过程简单方便，但原理涉及整体法、隔离法较复杂，学生理解起来较困难．对实验进行改进和创新不只是一种方法，只有将各种实验方法灵活地应用，从而设计出更为精巧的实验．4结束语由实验原理不完善带来的系统误差，它会影响到实验数据的可靠性，更影响到学生对其相应规律理解和应用，因此必须要对实验进行改进和创新．在实验教学中，如果能对实验中系统误差的产生，作全面的了解，灵活运用相应的方法对其改进和创新，并能消除系统误差，这对实验取得成功，提高实验教学效果都大有益处．培养学生